Разработаны ультратонкие сегнетоэлектрические конденсаторы

Устройства с сегнетоэлектрической памятью — многообещающий вариант для будущей мобильной и компактной электроники, поскольку они хранят информацию с помощью переключаемой электрической поляризации, что позволяет сохранять данные даже без питания. Однако лишь в нескольких проектах сообщается о прогрессе в уменьшении размеров таких сегнетоэлектрических устройств.

Чтобы устранить этот пробел, исследовательская группа из Школы материалов и химических технологий Токийского института науки (Science Tokyo) в сотрудничестве с корпорацией Canon ANELVA (Canon ANELVA) уменьшила общий размер конденсаторов с помощью тонких плёнок нитрида алюминия, замещённого скандием ((Al,Sc)N), с платиновыми электродами, сократив общую толщину до 30 нм, включая верхний и нижний электроды.

Как правило, в устройствах с сегнетоэлектрической памятью используется простая конструкция, состоящая из слоя сегнетоэлектрического материала, заключённого между двумя металлическими электродами. Сегнетоэлектрический слой отвечает за хранение информации посредством переключаемой поляризации, а электроды обеспечивают электрическое соединение и возможность переключения под воздействием напряжения.

«Предыдущие исследования по уменьшению размеров сегнетоэлектрической памяти были сосредоточены только на утончении сегнетоэлектрических слоёв, — отмечают исследователи — Наше исследование отличается тем, что мы сосредоточились на уменьшении размеров всего устройства, а не только сегнетоэлектрической плёнки».

Ученые разработали трёхслойную конденсаторную структуру, состоящую из плёнки (Al0,9Sc0,1)N в качестве сегнетоэлектрического слоя, заключённого между платиновыми электродами. Тщательно сбалансировав толщину слоёв с функциональными характеристиками, команда успешно создала оптимизированный многослойный конденсатор толщиной всего 30 нм. Полученная в результате конденсаторная структура Pt/(Al0,9Sc0,1)N/Pt состояла из нижнего платинового электрода толщиной 5 нм, сегнетоэлектрического слоя (Al0,9Sc0,1)N толщиной 20 нм и верхнего платинового электрода толщиной 5 нм.

Впечатляющие характеристики были обусловлены присущей (Al,Sc)N сегнетоэлектричностью, которая обусловлена высокой остаточной поляризацией (поляризацией, сохраняющейся даже после снятия электрического поля). Кроме того, уменьшение размеров всего устройства указывает на то, что конденсатор готов к использованию и может быть напрямую встроен в полупроводники и логические системы (блоки принятия решений в электронных устройствах).

Также исследователи обнаружили, что последующая термическая обработка нижнего платинового электрода при температуре 840 °C улучшает его кристаллическую ориентацию и повышает эффективность переключения поляризации в более тонких плёнках. Это важный шаг для сохранения характеристик сегнетоэлектрика при значительном увеличении толщины.

В целом исследование закладывает прочную основу для создания компактных сегнетоэлектрических запоминающих устройств и может послужить стимулом для уменьшения размеров других сегнетоэлектрических архитектур, таких как FeRam и FTJ, которые в значительной степени зависят от стабильного переключения и сохранения поляризации. В будущем исследователи планируют изучить альтернативные материалы для электродов с более подходящей ориентацией кристаллов, что может снизить требования к термической обработке и повысить долговечность устройств. Эти усовершенствования могут ускорить разработку встроенной памяти для устройств Интернета вещей, что приведёт к созданию более компактной, быстрой и энергоэффективной электроники.